《内燃机学》课程设计

设计计算说明书

1 动力计算

1.1初始条件

母型机参数：

四冲程六缸、废气涡轮增压、不可逆式、直接喷射、压缩空气启动。

D=200mm S=270mm

n=600r/min Ne=440kW

增压压力Pk=0.241Ma,压缩比ε=12.5，机械效率ηm=0.85,压缩复热指数n1=1.37,膨胀复热指数n2=1.26，Z点利用系数ξz=0.88，燃烧过量空气系数α=2.0，中冷器出水温度t=250 ,原机配气定时：

进气门开——上死点前60度

进气门关——下死点后40度

排气门开——下死点前40度

排气门关——上死点后60度

行程失效系数可取约0.083。

连杆长L=540mm，质量为34.76kg，活塞组质量m=35.76kg，连杆组质量分配比0.347/0.653，单位曲柄不平衡质量m=48.67kg。

1.2曲柄连杆机构运动质量的确定

将摆动的连杆用双质量系代替，一部分质量等价到做往复运动的活塞组中，另一部质量等价到做回转运动的曲柄组中，从而可以求出往复质量93f5e1c79123bc829f7d5c3bf8bc1674.png和连杆组算到大端的质量2d694d94e31ced5f2ee31790fafcb094.png。由于连杆尺寸并未确定，先按照母型机的连杆质量分配比。

823122a0ccc99f31a69eb467f8468406.png

b0c2ec96bde93f5cab93efae705a0945.png

上式中，M表示活塞组质量，0.347/0.653为连杆组质量分配比，7707caf74a4bce83a4afa848b5768c59.png为连杆质量，质量单位都用kg。

1.3 P-φ示功图的求取

将所给的P-V示功图，用发动机运动学公式将其展开，即得P-φ示功图。将活塞的位移转换成对应的曲柄转角，以α代表曲柄转角，取145个点，对应0度到720度每隔5度取一次，由此可得各曲柄转角α下的气体力值Pg（α），单位为MPa。用matlab画成曲线见图1，其matlab程序参见附录。图中实线表示的是气缸压力Pg与曲柄转角a的关系。

图1 P,Pg,Pj与曲柄转角a的关系

1.4往复惯性力Pj（α）计算

ed1b2cd5b8dc2b5fc83b1bce4bf394b0.png (MPa) （1）

往复惯性力按照公式1计算，图1中虚线即为往复惯性力与曲柄转角a的关系。

式中：mj—往复运动质量，kg；

R—曲柄半径，mm；

D—气缸直径，mm；

ω—曲轴旋转角速度，rad/s；

β—连杆摆角，rad。

1.5总作用力P（α）计算

41885fe3e9613da3f0207a3fa4153dd4.png (MPa) （2）

总作用力P（a）按照公式2计算，式中PB表示活塞底部气体压力，取大气压力，即PB=0.1Mpa。图1中点划线表示总作用力与曲柄转角之间的关系。通过三者的比较可以看出气缸压力对总作用力影响较大。

1.6活塞侧推力PH（α）计算

7001e3dc6e629129157e413dc121db70.png (MPa) （3）

活塞侧推力ccfffa4325ec75d8686149489f94eef9.png按照公式3进行计算，式中dc5233cb1d950ecad15b1e9b2514f665.png表示连杆摆角。连杆摆角与曲柄转角纯在下列关系：195c92c7a39011423773a96b903975d0.png，活塞侧推力与曲柄转角的关系见图2。

图2 活塞侧推力与曲柄转角的关系

1.7连杆力PC（α）计算

65ef6a1cecaabd620c1ee90471fd04b3.png (MPa) （4）

连杆力71db81e227d144bfa5af342674a6eeb7.png按照公式4进行计算，连杆力71db81e227d144bfa5af342674a6eeb7.png与曲柄转角的关系见图3。

图3 连杆力与曲柄转角的关系

1.8法向力PN（α）计算

357f56041159f1e36b9d8ec4b9ce6c1b.png (MPa) （5）

法向力38d40e07e64d403964a063be8123f2bf.png按照公式5计算，法向力38d40e07e64d403964a063be8123f2bf.png与曲柄转角的关系见图4。

图4 法向力与曲柄转角的关系

1.9切向力PT（α）计算

6bdafba76374d052b35086a81f756c66.png (MPa) （6）

切向力93ffd4133dc06d5419eae90b11e95b57.png按照公式6计算，切向力93ffd4133dc06d5419eae90b11e95b57.png与曲柄转角的关系见图5。

图5 曲柄转角与切向力的关系

1.10总切向力f9fa89554723573663d9ffc19dd87d74.png计算

04e1c038c311162ec8d14a906c81b2a0.png (MPa) （7）

对于四冲程曲柄均匀排列情况的总切力按照公式6计算。气缸之间的间隔角为120deg，总切力与曲柄转角的关系见图6。

图6 总切力与曲柄转角之间的关系

1.11曲柄销负荷RB（α）计算

f2835c5e0f17cee5b7bc1add909ad946.png (MPa) （8）

曲柄销合力按照公式8计算，

式中:9d97e3744487a9a71032bbaaa57fe95e.png—曲柄销负荷水平分量，3a71075a5b02a3ca6e4d4f7b29ce9563.png(MPa)；

8da34b326992e43a10ec944310e18b03.png—曲柄销负荷垂直分量1ed882f169230f300ca961aac8416f64.png,47bca9f908a84733f5765afc67910f69.png(MPa)；

2d694d94e31ced5f2ee31790fafcb094.png—连杆组算到大端的质量，kg。

曲柄销合力0294ded92115c914a2eb0b489bf1c716.png与曲柄转角的关系见图7。

图7 曲柄销负荷与曲柄转角的关系

1.12准确性校核

150c33451a6ffc21586d06203af0fde3.png (KW) （9）

按照总切力曲线作准确性校核，根据总切曲线计算出平均切力，再按公式9进行计算，式中5dda2ba07a16332711dbf7b47085f72b.png表示活塞面积，单位是f259f11da0ea8e6dc9e15e341a84562e.png；6637ed56fa86cbae07b74abf1a58b167.png表示平均切力，单位是Mpa。再将指示功率与给定功率进行比较，计算出误差。

150c33451a6ffc21586d06203af0fde3.png=501.2382kw

2bff093d6d93c319a06842af0219ab13.png= -3.27%

计算出来的误差在5%以内，符合要求。

2 曲轴设计计算

2.1曲轴各部尺寸比例

在初步定出曲轴的尺寸后，应立即作曲柄销和主轴颈最大比压验算：

曲轴销a3da31324de59940ad3a1a05a1009d72.png

主轴颈d8e1b410f51dfc387b8b613029d4c638.png

式中：Pz—最大燃烧压力，Mpa；

D—气径直径，mm；

dp,dj—曲柄销及主曲颈直径，mm;

LP ,Lj—曲柄销及主轴颈有效长度，mm（考虑了过渡圆角的影响）；

q—考虑相邻缸的影响系数。四冲程q≤1.25；二冲程q≤1.50，式中q=1.2。

2.2曲轴船规验算

我国船舶检验局“钢质海船入级与建造规范（2006）”对船舶柴油机曲轴有如下规定：对整锻、铸造、半组合或全组合曲轴的主轴颈及曲柄销，其最小直径d 如下计算。曲轴材料选用铸钢。

对锻钢、铸钢、合金钢材料的曲轴：

ae80c0042f5db527cf4984b9b003e264.png

式中: D—气缸直径，D=200mm；

S—活塞行程，S=270mm；

L—相邻两主轴承中心线间的距离，L=320mm；

LP—曲柄销的有效长度，LP=90mm；

Pz—最高燃烧压力，Pz=12.5MPa；

Pi—平均指示压力，word/media/image44_1.png

Ni—由总切力得到的指示功率，Ni=501.2382kW；

Vs—每缸的工作容积，word/media/image45_1.png；

n—柴油机转速，n=600r/min；

i —气缸数，i=6；

σb—材料标定抗拉强度下限值，σb=500MPa；

A—系数，对直列式单作用柴油机，A=0.50；

C—系数，对直列式单作用四冲程柴油机，C=2.553；

αB—弯曲应力集中系数，对于原机型的曲轴，αB=3..39；

rp—过渡圆角半径，rp=10mm；

dp—曲柄销直径，dp=130mm；

b—曲臂宽，b=200mm；

e—轴颈的重叠量，e=（dp+dj）/2-S/2=0；

αr—扭转应力集中系数，

0434de1249b1f32f1fac74f8cf39dec4.png=1.69；

由计算结果可知，d=149.2mm＜150mm，故设计的曲轴可用。

附录 Matlab计算程序

>> %内燃机课程设计动力计算%

a1 =0 : 5 : 720;%曲柄转角%

Pg1=[3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3,3.05,3.1,3.15,3.2,3.25,3.3,3.35,3.35,3.4,3.45,3.45,3.5,3.75,4,4.25,4.5,4.75,5,5.5,6.5,7,8,9,10.5,13,15,18,21.5,26,32,40,49,59,65,80,105,119,124,125,115,101,87.5,72.5,60,50,43,36.5,32,28,25,22,19.5,18,16.5,15.5,14,13,12.5,12,11,10.5,10.25,10,9.75,9.5,9,8.5,8,7.75,7,6.5,6,5.5,5,4,3.5,3,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,2.5,3];%气缸压力，kg/cm^2%

a = 0 : 1 : 720;

Pg = interp1(a1,Pg1,a,'spline');

>> Pg = Pg/10.197;%气缸压力单位转化，Mpa%

Ne = 440;%单位是kw%

mj = 35.76 + 0.347 * 34.76; %活塞组等效质量，kg%

mb = 0.653 * 34.76; %连杆组算到大端的质量，kg%

D = 200;%活塞直径，mm%

L = 540;%连杆长度，mm%

R = 135;%曲柄半径，mm%

z = 6;%气缸数；

x = R/L;%曲柄连杆比%

B = asin(x*sin(a*pi/180));%连杆摆角%

w = 600*pi/30;%转速，rad/s%

Pj = - mj * R * w^2 *(cos(a*pi/180) + x * cos(a*pi/90))/(pi * D^2/4 * 10^3);%往复惯性力，Mpa%

Pb = 0.1;%活塞底部气体压力，取为大气压力，Mpa%

P = Pj - Pb + Pg;%总作用力，Mpa%

figure(1);%打开新图版;

plot(a,Pg,a,Pj,'--',a,P,'-.');%蓝色的为气缸压力与曲轴转角的关系，黄色为往复惯性力与曲柄转角的关系,红色为总作用力与曲柄转角的关系%

xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%

ylabel('(P,Pg,Pj)/Mpa');%加纵坐标%

legend('Pg','Pj','P')

grid on ;%添加网格%

Ph = P .* tan(B);%活塞侧推力，单位是Mpa%

Pc = P./cos(B);%连杆力，单位是Mpa%

Pn = Pc .* cos(a*pi/180 + B);%法向力，单位是Mpa%

Pt = Pc .* sin(a*pi/180 + B);%切向力，单位是Mpa%

SumPt = Pt ;%为总切力,单位是Mpa;%

for i=1:721

for j=1:5

m=i+720*j/z;

if m>721

m=m-720;

end

SumPt(i)=SumPt(i)+Pt(m);

end

end

avePt = mean(SumPt);%平均切向力,单位是Mpa%

Rbh = Pt;%曲柄销负荷水平分量，单位是Mpa%

Prb = mb * R * w^2/(pi * D^2/4 * 10^3);

Rbv = Pn - Prb; %曲柄销负荷垂直分量，单位是Mpa%

Rb = (Rbh .* Rbh + Rbv .* Rbv).^0.5; %曲柄销总负荷%

figure(2);%打开新图版%

plot(a,Ph);%画侧推力与曲柄转角的关系%

xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%

ylabel('侧推力Ph/Mpa');%加纵坐标%

grid on ;%添加网格%

figure(3);%打开新图版%

plot(a,Pc);%画连杆力与曲柄转角的关系%

xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%

ylabel('连杆力Pc/Mpa');%加纵坐标%

grid on ;%添加网格%

figure(4);%打开新图版%

plot(a,Pn);%画法向力与曲柄转角的关系%

xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%

ylabel('法向力Pn/Mpa');%加纵坐标%

grid on ;%添加网格%

figure(5);%打开新图版%

plot(a,Pt);%画切向力与曲柄转角的关系%

xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%

ylabel('切向力Pt/Mpa');%加纵坐标%

grid on ;%添加网格%

figure(6);%打开新图版%

A = 0 :1: 720;

plot(A,SumPt);%画总切向力与曲柄转角的关系%

xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%

ylabel('总切向力SumPt/Mpa');%加纵坐标%

grid on ;%添加网格%

figure(7);%打开新图版%

plot(a,Rb);%画曲柄销负荷与曲柄转角的关系%

xlabel('曲柄转角a/deg');%加横坐标%

ylabel('曲柄销负荷Rb/Mpa');%加纵坐标%

grid on ;%添加网格%

Ni = avePt * pi * D^2 * R * w / (4 * 10^6)%由总切力计算指示功率%

d = ( Ni - Ne/0.85 ) / Ni %计算误差%

内燃机课程设计6200柴油机曲轴设计动力计算(DOC)